摘要：时银，中国科学技术大学核科学技术学院特任教授，国家优青基金获得者，博士生导师。2010年于华中科技大学获学士学位，2015年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得光学博士学位。2015-2016年在中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室担任

个人简介

时银，中国科学技术大学核科学技术学院特任教授，国家优青基金获得者，博士生导师。2010年于华中科技大学获学士学位，2015年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得光学博士学位。2015-2016年在中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室担任助理研究员，2016-2018年于英国伦敦帝国理工学院任牛顿国际访问学者，2018-2020年在美国加州大学圣迭戈分校开展博士后研究。

研

究

方

向

2018年的诺贝尔物理学奖，部分颁给啁啾脉冲放大（CPA）技术的发明人。基于CPA技术的超短超强激光，其峰值功率在过去几十年近似于芯片领域的摩尔定律一样增加。这在基础科学领域带来类似的连锁影响力，比如带来强场激光的相对论效应和强场量子电动力学效应，使得该研究领域充满机会。通常，我们研究在微米到毫米的空间距离、飞秒到皮秒的时间快慢和太瓦到拍瓦峰值功率的极端环境。该领域既有最基础前沿的问题（比如辐射反作用力、非线性强场QED），也有围绕“国之利器”的大科学研究（比如可控核聚变），还有工业应用（比如紧凑型辐射光源）。具体的研究内容可列举三方面:1 强磁场和高速旋转环境；2 高品质电子束和X光束；3 新的诊断原理和方法探索。

强磁场和高速旋转环境

近年来，大型激光装置上的强磁场带来了许多新的研究机遇，包括高能量密度物理、核聚变物理和实验室天体物理等。实验室天体物理有关的研究内容有磁重联、粒子加速等。尤其，天空环境充满磁场分布，许多天文现象都与磁化等离子体有关。以往产生轴向准直强磁场的方法有，逆向法拉第效应、激光驱动线圈、内爆磁场放大等。其中，逆向法拉斯效应带来的自生磁场，有其相对的简单性和易操作性。传统的逆向法拉第效应是基于圆偏振激光光子的吸收。尽管从轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）守恒角度较容易理解，但涉及到吸收机制、提高产生磁场强度等问题仍然有待研究。高功率激光携带的角动量可以达到超高密度，这使得与之相互作用的物质也可能因此具备高密度的角动量。这个发生过程可能的时空范围通常在（1~100微米）和10~1000飞秒量级。

我们将通过理论和PIC（Particle-in-Cell）模拟，利用涡旋光束或多光束环境，寻找更高效的OAM传递机制，从而产生更高的准直自生强磁场，并分析等离子体携带OAM的分布和生成几特斯拉甚至上千特斯拉强度的准直强磁场。由于其准直的拓扑结构相对简单，我们期望在大型激光装置产生的强磁场和高速旋转等离子体环境中，对高能量密度等离子体将产生显著影响，比如质子加速、热电子输运等，从而为激光惯性约束聚变方案带来改变，同时也模拟更丰富的天体现象。这部分我们也会探索一些强场效应，尤其考虑到强磁场的环境，比如辐射反作用力（radiation reaction）。

Ref.

(1)Y. Shi* et al. PRL 121, 145002 (2018);

(2)Y. Shi, Baifei Shen* et al. PRL 112, 235001 (2014);

(3)Y. Shi* et al. JUSTC 53, 3(2023);

(4)D. R. Blackman et al. PoP 29, 072105 (2022);

(5)Y. Shi et al. NJP. 22, 073067 (2020);

(6)Y. Shi* et al. PRL 130, 155101 (2023);

(7)T. V. Liseykina et al. NJP 18, 072001 (2016).

(8)Yin Shi * et al. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 67, 295201 (2024) (Invited Review).

(9) Jue Xuan Hao, Xiang Tang, Alexey Arefiev, Robert J. Kingham, Ping Zhu, Yin Shi*, and Jian Zheng, Matter Radiat. Extremes10, 017201 (2025)(封面).

粒子束和光子束

短脉冲（fs~ps）的高功率激光已被证明在加速电子，以及加速重离子、产生高能光子等方面具有显著优势。这个优势的基础就是，超短超强激光脉冲，波长是微米量级的中红外，可以聚焦在极小的时空范围内，从而以极高梯度传递能量和动量。基于微波、射频的加速，由于其波长大几个量级，其加速梯度天然更小。更大的加速梯度，也就面临加速物质的毁坏，从而在我们的情况下也就是等离子体状态。超短超强激光驱动等离子体尾波加速产生的高能电子束已被证实其品质足以产生深紫外的自由电子激光。与此同时，激光直接加速产生低能、高电荷量的热电子束，是重离子加速、次级辐射（比如X光）、惯性聚变点火等领域的关键。已有的研究表明相对论强度的涡旋光束在紧聚焦情况下，轴向电场和轴向磁场也可以到达相对论量级。利用得到的轴向场，可以加速获得亚飞秒的高能电子脉冲链。而轴向场和中空的有质动力势结合，也可能为热电子的发散角改变带来额外的调控。同时，多光束协同作用产生的自生强磁场可以对热电子产生导引作用。

Ref.

(1)Y. Shi* et al. Phys. Rev. Lett. 126, 234801(2021);

(2)Y. Shi*, Plasma Phys. Control. Fusion 63 125032(2021);

(3)Y. Shi*, High Power Laser Sci. Eng. 10, e45(2022)(封面文章);

(4)Y. Shi, Baifei Shen* et al. PRL 112, 235001 (2014);

(5)D. R. Blackman, Y. Shi et al. Commun. Phys. 5:116 (2022);

(6) Yin Shi * et al. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 67, 295201 (2024) (Invited Review).

中科大、上师大、美国UCSD合作发表强涡旋光激光等离子体物理综述 (qq.com)

(7) Yin Shi, Baifei Shen*, et al. ,Phys. Plasmas. 20, 093102 (2013).

新的诊断原理和方法探索

等离子体诊断手段中，电磁场的散射占据了重要角色。频谱和偏振都携带可提取的信息，也是常见的测量目标。与此同时，光场的波前态也携带着额外信息。比如常见的涡旋光，又称轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）光或Laguerre Guassian(LG)光。涡旋光已在量子光学、光通信等领域获得较多研究。但等离子体诊断中尚未有人明确提出利用电磁场的波前测量。对于额外维度的信息测量，总是有望获得更多的信息。尤其考虑到等离子体中的涡旋波、磁化效应等，利用已有的诊断手段不能很好地获得信息。探索OAM的测量来诊断等离子体就显得很有必要。在最前沿的强场QED的研究中，新的诊断方法也需要提出来测试相关理论。诊断手段的提升非常有利于我们对背后物理的理解甚至操控，能极大促进高能量密度物理的研究。大型计算和模拟，也对于新型诊断原理的探索至关重要。

招生信息

本团队主要利用理论和在超算上并行运行的PIC模拟，来研究激光等离子体物理、强场激光物理和高能量密度物理。小组目前正开发新的PIC并行程序，并计划完成一些验证性实验。团队目前有两位博士生，两位硕士生和多名本科生（核院、少院、物理学院等）。已有本科生利用小组的合作网络，在国内外完成短期学术交流拿到博士项目的通知书。欢迎物理学、光学、光电科学与工程、计算机等背景的学生，联系我们进行大学生研究活动或报考研究生。

导师寄语

激光等离子体物理的研究，充分利用了强激光的技术前沿带来的机遇。2018年物理诺奖工作中，啁啾脉冲放大技术的发明，使得激光强度如摩尔定律一样不断提升。相关应用，既关系到尖端制造业，又包括前沿物理的探索，还涉及到国防安全和未来能源等。研究设备既可利用大科学装置平台，又可利用校园级的实验室技术和工业技术。这些研究挑战，也带来超算模拟、大数据等方向的交叉应用，体现出科学与技术的深度融合，以及不同技术之间的交叉、借鉴，适合不同背景的学生加入。新加入的年轻人仍有较好的研究机会，可创造新的概念和相应的技术，并通过模拟和实验进行验证，经历科学的故事。欢迎同学们加入研究小组，有所创造。

来自： 中国科大核学院

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来源：江苏激光联盟